När du tittar upp mot natthimlen, hur vet du om ljusfläckarna du ser är ljusa och långt borta, eller relativt svag och nära? Ett sätt att ta reda på det är att jämföra hur mycket ljus objektet faktiskt avger med hur ljust det ser ut. Skillnaden mellan dess verkliga ljusstyrka och dess skenbara ljusstyrka avslöjar ett objekts avstånd från betraktaren.

Att mäta ljusstyrkan hos ett himlaobjekt är utmanande, speciellt med svarta hål, som inte avger ljus. Men de supermassiva svarta hålen som ligger i centrum av de flesta galaxer ger ett kryphål:de drar ofta massor av materia runt sig, bildar heta skivor som kan stråla starkt. Att mäta ljusstyrkan hos en ljus skiva skulle göra det möjligt för astronomer att mäta avståndet till det svarta hålet och galaxen det lever i. Avståndsmätningar hjälper inte bara forskare att skapa en bättre, tredimensionell karta över universum, de kan också ge information om hur och när föremål har bildats.

I en ny studie, astronomer använde en teknik som vissa har kallat "ekokartering" för att mäta ljusstyrkan hos svarta hålsskivor i över 500 galaxer. Publicerad förra månaden i Astrofysisk tidskrift , studien ger stöd till idén att denna metod skulle kunna användas för att mäta avstånden mellan jorden och dessa avlägsna galaxer.

Processen med ekokartering, även känd som efterklangsmapping, börjar när skivan av het plasma (atomer som har förlorat sina elektroner) nära det svarta hålet blir ljusare, ibland till och med släpper ut korta bloss av synligt ljus (vilket betyder våglängder som kan ses av det mänskliga ögat). Det ljuset förs bort från skivan och kommer så småningom in i en gemensam egenskap hos de flesta supermassiva svarta hålssystem:ett enormt moln av damm i form av en munk (även känd som en torus). Tillsammans, skivan och torusen bildar ett slags bullseye, med ackretionsskivan lindad tätt runt det svarta hålet, följt av på varandra följande ringar av lite kallare plasma och gas, och slutligen dammtorusen, som utgör den bredaste, yttersta ringen i bullseye. När ljusblixten från accretionskivan når innerväggen av den dammiga torusen, ljuset absorberas, vilket gör att dammet värms upp och släpper ut infrarött ljus. Denna ljusning av torus är ett direkt svar på eller, man kan säga ett "eko" av de förändringar som sker på disken.

Avståndet från ansamlingsskivan till insidan av dammtorus kan vara stort — miljarder eller biljoner mil. Även ljus, reser vid 186, 000 miles (300, 000 kilometer) per sekund, kan ta månader eller år att passera den. Om astronomer kan observera både den initiala utblossningen av synligt ljus i accretionskivan och den efterföljande infraröda ljusningen i torus, de kan också mäta den tid det tog ljuset att färdas mellan dessa två strukturer. Eftersom ljus färdas med en standardhastighet, denna information ger också astronomer avståndet mellan skivan och torus.

Forskare kan sedan använda avståndsmätningen för att beräkna skivans ljusstyrka, och, i teorin, dess avstånd från jorden. Så här gör du:Temperaturen i den del av skivan som är närmast det svarta hålet kan nå tiotusentals grader — så hög att även atomer slits isär och dammpartiklar inte kan bildas. Värmen från skivan värmer också området runt den, som en brasa en kall natt. Resa bort från det svarta hålet, temperaturen sjunker gradvis.

Astronomer vet att damm bildas när temperaturen sjunker till cirka 2, 200 grader Fahrenheit (1, 200 Celsius); ju större bål (eller desto mer energi strålar skivan), ju längre bort från den bildas dammet. Så att mäta avståndet mellan ackretionsskivan och torusen avslöjar skivans energiutgång, som är direkt proportionell mot dess ljusstyrka.

Eftersom ljuset kan ta månader eller år att passera utrymmet mellan skivan och torus, astronomer behöver data som sträcker sig över decennier. Den nya studien bygger på nästan två decennier av observationer av synligt ljus av svarta håls ackretionsskivor, fångas av flera markbaserade teleskop. Det infraröda ljuset som sänds ut av dammet upptäcktes av NASA:s Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE), tidigare heter WISE. Rymdfarkosten undersöker hela himlen ungefär en gång var sjätte månad, ger astronomer upprepade möjligheter att observera galaxer och leta efter tecken på dessa ljusa "ekon". Studien använde 14 undersökningar av himlen av WISE/NEOWISE, insamlade mellan 2010 och 2019. I vissa galaxer, ljuset tog mer än 10 år att korsa avståndet mellan ansamlingsskivan och dammet, vilket gör dem till de längsta ekon som någonsin uppmätts utanför Vintergatans galax.

Galaxer långt, Långt borta

Idén att använda ekokartering för att mäta avståndet från jorden till långt borta galaxer är inte ny, men studien gör betydande framsteg för att visa sin genomförbarhet. Den största enskilda undersökningen i sitt slag, studien bekräftar att ekokartering fungerar på samma sätt i alla galaxer, oavsett sådana variabler som ett svart håls storlek, som kan variera kraftigt över universum. Men tekniken är inte redo för bästa sändningstid.

På grund av flera faktorer, författarnas avståndsmätningar saknar precision. Mest anmärkningsvärt, författarna sa, de behöver förstå mer om strukturen i de inre delarna av dammmunken som omger det svarta hålet. Den strukturen kan påverka sådana saker som vilka specifika våglängder av infrarött ljus dammet avger när ljuset först når det.

WISE-data spänner inte över hela det infraröda våglängdsområdet, och en bredare datauppsättning skulle kunna förbättra avståndsmätningarna. NASA:s romerska rymdteleskop Nancy Grace, kommer att lanseras i mitten av 2020-talet, kommer att ge riktade observationer i olika infraröda våglängdsområden. Byråns kommande SPHEREx-uppdrag (som står för Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization och Ices Explorer) kommer att undersöka hela himlen i flera infraröda våglängder och kan också hjälpa till att förbättra tekniken.

"Det fina med ekokartläggningstekniken är att dessa supermassiva svarta hål inte kommer att försvinna när som helst snart, sa Qian Yang, en forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign och huvudförfattare till studien, hänvisar till det faktum att svarta hålsskivor kan uppleva aktivt flammande i tusentals eller till och med miljoner år. "Så vi kan mäta dammekon om och om igen för samma system för att förbättra avståndsmätningen."

Ljusstyrka-baserade avståndsmätningar kan redan göras med föremål som kallas "standardljus, " som har en känd ljusstyrka. Ett exempel är en typ av exploderande stjärna som kallas en supernova av typ 1a, som spelade en avgörande roll i upptäckten av mörk energi (namnet på den mystiska drivkraften bakom universums accelererande expansion). Typ 1a supernova har alla ungefär samma ljusstyrka, så astronomer behöver bara mäta sin skenbara ljusstyrka för att beräkna deras avstånd från jorden.

Med andra standardljus, astronomer kan mäta en egenskap hos objektet för att härleda dess specifika ljusstyrka. Så är fallet med ekokartering, där varje accretionskiva är unik men tekniken för att mäta ljusstyrkan är densamma. Det finns fördelar för astronomer att kunna använda flera standardljus, som att kunna jämföra avståndsmätningar för att bekräfta deras noggrannhet, och varje standardljus har styrkor och svagheter.

"Att mäta kosmiska avstånd är en grundläggande utmaning inom astronomi, så möjligheten att ha ett extra trick i rockärmen är väldigt spännande, sa Yue Shen, också forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign och medförfattare till artikeln.